第三章机械设计总论

1、第三章 机械设计总论3-1 机器的组成3-2 设计过程简介3-3 机械设计的总体要求3-4 机械零件的失效3-5 零件设计准则（基本要求）3-6 设计方法3-7 机械零件常用材料及选用3-8 机械设计中的“三化”3-9 机械零件的强度3-10 摩擦、磨损与润滑3-1 机器的组成机 器基本组成动力部分 （人、畜、风、电）力、燃气等传动机构 机械、液压、气动、电动等执行机构 如行走部分、轧辊等辅助装置 润滑、显示、照明、调节等控制系统例：自行车3-2 设计过程简介规划 调研、可行性、功能目标、创新性、预计成本、市场方案设计原理简图、多个方案评估、确定方案具体设计 1）、零件受载情况、工作条件2）、

2、零件材料选择3）、零件主要尺寸确定（轴颈、齿厚、齿宽等）4）、结构规划并设计（重要）5）、零件图6）、部件图7）、总装图8）、细节文件（明细表、外协计划、清单）3-3 机械设计的总体要求一、达到功能要求二、结构合理、简捷、操纵方便、安全可靠三、制造成本低四、环保要求泄漏、噪声、振动、能耗、排气、五、可靠性固有可靠性设计、制造阶段就已确定使用可靠性用户具体操作时正常概率六、其它精度保持、便于安装运输综合来看：在保证预期功能的前提下，性能好、效率高、成 本低、安全可靠、寿命长、操作方便、维修简单、 造型美观。3-4 机械零件的失效机械零件因某种原因而不能正常工作，称为失效。失效形式1、断裂2、塑性

3、变形3、过大弹性变形4、表面烧伤和磨损磨蚀、磨损、接触疲劳5、强烈振动、松弛（皮带）、打滑、丧失自锁F整体断裂整体断裂齿轮轮齿断裂齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂轴承内圈断裂 零件危险截面的应力超过其强度极零件危险截面的应力超过其强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。危险截面发生的疲劳断裂。F过大的残余变形过大的残余变形零件所受的应力超过了材料零件所受的应力超过了材料的屈服极限，则零件将产生的屈服极限，则零件将产生残余变形。残余变形。 齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形F零件的表面破坏零件的表面破坏腐蚀、磨损、接触疲劳 轴瓦磨损齿面接触疲劳3-

4、5 零件设计准则（基本要求）设计计算准则保证机械的工作能力，不失效而设定的一些判断条件。强度在载荷作用下抵抗破坏（断裂、塑性变形、表面失效）的能力。一、强度准则分为整体强度表面强度（接触与挤压强度）两种对整体强度：maxmax对表面接触强度：接触应力HH挤压应力PP对表面挤压强度：许用应力的计算：（S为安全系数）继续继续=Smax= maxS二、刚度准则刚度在载荷作用下抵抗变形的能力。要求要求弹性变形量允许值。三、耐磨性准则要求要求在预定期限内磨损量允许值。四、散热性准则要求要求工作温度允许值t 。五、振动稳定性准则机器的发展趋势是V（速度）m（质量）,于是造成容易振动的后果要求要求工作不发生

5、超过允许值的振动现象 。继续继续六、可靠性准则用可靠度R表示在正常使用条件下、规定时间内能正常工作的概率。R=nn总能工作的零件数总零件数另还可用平均工作时间（平均寿命）MTTF表示。MTTFmean time to failures.或用平均故障间隔时间MTBF表示。MTBFmean time between failures.3-6 设计方法理论设计设计计算校核计算经验设计模型实验设计3-7 机械零件常用材料及选用一、常用材料1、金属材料（1）黑色金属（占90%以上）钢碳素钢结构钢结构钢工具钢工具钢特殊钢特殊钢普通碳素结构钢 Q235A优质碳素结构钢低碳钢08F、15、20中碳钢35、45

6、高碳钢65合金钢结构钢结构钢工具钢工具钢特殊钢特殊钢低合金高强钢16Mn渗碳钢20Cr、20CrMnTi调质钢40Cr、35CrMo弹簧钢65Mn、60Si2Mn轴承钢GCr15易切钢Y40Mn铸铁灰口铸铁HT150、HT200可锻铸铁KTH300-06球墨铸铁QT420-10（2）有色金属铝及铝合金纯铝纯铝变形铝合金变形铝合金铸造铝合金铸造铝合金L1、L2L6防锈铝LF5、硬铝LY12、超硬铝LC6、锻铝LD10ZL101、ZL111纯铜（紫铜）纯铜（紫铜）铜合金铜合金常用巴氏合金常用巴氏合金T1、T2、T4黄铜Cu+ZnH62、ZCuZn38青铜Cu+其它BZn15-20白铜Cu+NiQS

7、n4-3轴承合金ZChSnSb11-6ZChPbSn-16-16-1.8AlSi基AlCu基AlMg基AlZn基ZL201、ZL203ZL301、ZL302ZL401、ZL402铜及铜合金锡基铅基2、非金属材料（1）高分子材料分子量500的有机化合物，一般1000几百万。分天然与合成两类。、塑料、塑料、橡胶、橡胶、合成纤维、合成纤维（2）工程陶瓷（3）复合材料、普通陶瓷、普通陶瓷、特种陶瓷、特种陶瓷、金属陶瓷、金属陶瓷、玻璃纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料、玻璃钢、玻璃钢、碳纤维增强塑料、碳纤维增强塑料由石墨晶体组成窑业，又称硅酸盐工业（含陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料）如硬质合金氧化铝陶瓷氮化硅陶

8、瓷碳化硅陶瓷刚玉瓷（硬度排第五），作火花塞、轴承、模具等f小（可无润滑），可作刀具、复杂零件等又称金刚砂，作火箭尾喷管喷嘴、高温轴承、核 燃料包封等丁苯橡胶顺丁橡胶异戊橡胶氯丁橡胶丁基橡胶乙丙橡胶丁晴橡胶产量最大（6070%)发展最快阻燃性最好耐油性很好合成橡胶有七大品种见后页A、热塑性塑料聚乙烯（聚乙烯（PE ) )聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC ) )聚苯乙烯（聚苯乙烯（PS ) )聚丙烯（聚丙烯（PP ) )ABS塑料塑料聚铣胺（聚铣胺（PA ) )聚甲醛（聚甲醛（POM ) )聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（PTEE或或F-4 ) )聚碳酸酯（聚碳酸酯（PC ) )聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲

9、酯（PMMA ) )产量最大，可做管、瓶、杯、绝缘等有毒、产量第二，可做窗架、唱片、管、人造革、衣、袜等可做玩具、包装等最轻、可煮，可做法兰、接头、把手、齿轮、化工管道、收音机壳、电扇罩、 食物无毒包装等可做齿轮、轴承、电机外壳、档泥板、扶手、汽车车身等即尼龙、锦纶，可代替有色金属机械行业多用尼龙6尼龙66做纺织品、绳子、轴承等尼龙610尼龙1010我国独创，以蓖麻油为原料铸型尼龙（MC尼龙）芳香尼龙最耐热、可做宇宙服性能比尼龙好，可制各类受摩擦件，如轴承、齿轮、凸轮、阀门、仪表外壳等特耐蚀、称塑料王、又称泰氟隆，可作轴承、密封垫、不粘锅等透明度高，可作挡风玻璃、帽盔等，波音747上有2500

10、个零件用它制造，重2吨。即有机玻璃、最透明B、热固性塑料酚醛树脂（酚醛树脂（PE) )又称电木，用于电绝缘、齿轮、凸轮、轴承、皮带轮等氨基塑料氨基塑料逐渐被取代脲醛塑料（UF）主要做家电产品密胺塑料（MF）环氧树脂（环氧树脂（EP）万能胶，主要用作粘接剂和层压树脂塑塑料料返回二、材料选用原则1、性能满足要求（受力、环境等的影响）2、材料易购、便宜、常用3、加工工艺性（成型、切削、热处理等）3-8 机械设计中的“三化”1、产品系列化系列化2、部件通用化通用化3、零件标准化标准化推广三化，可以推广三化，可以 大大降低设计、制造周期 降低成本 有利开展行业协作 促进质量提高 3-9 机械零件的强度静

11、应力强度若整个工作寿命期限内应力变化次数107静应力强度低周疲劳高周疲劳本书讨论本书讨论ABCD在CD段：D点后：NN=CmN= r常可设一循环基数循环基数循环基数N0，此时的应力记为rN0（或记为r）应有：rNNm r N0=Cm=故：rN= rmN0N=rKN材料常数对钢材料：对钢材料： 在弯曲和拉压时，在弯曲和拉压时，m=620常可取为常可取为9寿命系数（ ） KN= mN0NmaxDNABC三、等寿命疲劳曲线（又称（又称极限应力曲线、疲劳极限图极限应力曲线、疲劳极限图）am-1s应应力力幅幅值值平均应力平均应力注注意意m=max+min2a=maxmin2此图的作法： 不同的不同的值下

12、作出值下作出max-N图；图；取一循环基数取一循环基数N0（如（如107）；）；由此作垂线与各由此作垂线与各max-N图相交；将各交图相交；将各交点的值经过处理后描于点的值经过处理后描于m- a图上；图上；即得等寿命疲劳曲线。即得等寿命疲劳曲线。max=+0.6=+0.3=0=-1NN0=107maxmin=称为称为循环特性循环特性-1称为称为对称循环疲劳极限对称循环疲劳极限s称为称为屈服极限屈服极限注意关键值-1和s上图常用折线图代替。amam-1s应力在此区域内，无事！应力在此区域内，无事！应力在此区域外，破坏！应力在此区域外，破坏！简化为该折线图的作法s屈服极限-1对称循环疲劳极限0脉动

13、循环疲劳极限直线直线A A G G 的方程为：的方程为：-1=a+m直线直线C C G G 的方程为的方程为：a+m = s几个关键值极限应力幅极限应力幅a极限平均应力极限平均应力m材料常数材料常数=2 -1-00实际上是直线AG的斜率对碳钢： =0.10.2对合金钢： =0.20.3am-1s020245CGDA453-9-2 疲劳强度计算实际零件的疲劳极限一般会小于试验件的疲劳强度，因为加工和工作时会有一些不确定的因素影响。故：以弯曲为例-1e=-1K试验件疲劳极限试验件疲劳极限综合影响系数综合影响系数零件的疲劳极限应为：从图形上考虑此问题，可将极限应力线图中的从图形上考虑此问题，可将极限

14、应力线图中的A A G G 线下移（线下移（ C C G G 线不变）至线不变）至AGAG线。线。am02CGDAADGC-1e=K-12K0sm02ADGCsa此线下移此线下移结果为m02ADGCsa续上页通过求AG线的方程（与上节类似），可得：零件的材料常数为(弯曲时）：e=K=K12-100K的计算公式：K =(k+1)1q有效应力集中系数有效应力集中系数尺寸系数尺寸系数表面质量系数表面质量系数强化系数强化系数其中四个系数的值均可查表得到。 切应力的推算与上类似！略切应力的推算与上类似！略 一、单向稳定变应力时疲劳强度的计算1、=C时时（例如转轴（例如转轴,C代表常数）代表常数）mAGC

15、a工作应力点工作应力点MM 极限应力点极限应力点该点处：该点处：m=mea=ae(由危险截面的max与min求得该点的m和a）由原点向工作应力点由原点向工作应力点M连线连线并延长到与并延长到与AG线相交于线相交于M 点点极限应力为：max=me +ae =-1 maxKa+ m强度条件为：Sca=maxmaxS计算安全系数计算安全系数许用安全系数许用安全系数2、m=C时时（例如振动着的受载弹簧（例如振动着的受载弹簧,C代表常数）代表常数）mAGCa工作应力点工作应力点MM 极限应力点极限应力点该点处：该点处：m=mea=ae(由危险截面的max与min求得该点的m和a）过工作应力点过工作应力点

16、M作垂线作垂线与与AG线相交于线相交于M 点点极限应力为：max=me +ae =-1（K）mK强度条件为：Sca=maxmaxS计算安全系数计算安全系数许用安全系数许用安全系数3、min=C时时（例如紧螺栓联结中螺栓受轴向变载荷，（例如紧螺栓联结中螺栓受轴向变载荷，C代表常数）代表常数）注意：注意：min=m-aCmAGCa工作应力点工作应力点MM 极限应力点极限应力点该点处：该点处：m=mea=ae(由危险截面的max与min求得该点的m和a）过工作应力点过工作应力点M作与水平方向成作与水平方向成45的斜线，与的斜线，与AG线相交于线相交于M 点点45强度条件为：Sca=maxmaxS计算

17、安全系数计算安全系数许用安全系数许用安全系数同上理，可以求出M 点处的极限应力maxmAGCaIIIIIII区：区： min恒为负值，很少见；恒为负值，很少见；III区：区： 按静强度计算。按静强度计算。实际上，仅考虑此区实际上，仅考虑此区niNi称为损伤率损伤率二、单向不稳定变应力时疲劳强度的计算非规律性非规律性按大量试验找统计分布规律，统计疲劳强度。规律性规律性按疲劳损伤累积假说（Miner法则）。i=1zniNi=1循环了多少次循环了多少次使材料发生破坏的循环次数使材料发生破坏的循环次数试验表明：i=1zniNi=0.72.2a无巨大差别，无短时强烈过载时，取1各级应力由大小时，取值1，

18、经过一系列推导，可得强度条件公式：经过一系列推导，可得强度条件公式：Sca=-1caS其中：计算应力ca=N01i=1zniimm（）三、双向稳定变应力时疲劳强度的计算指同时受法向和切向对称循环稳定变应力。介绍略。四、提高疲劳强度的措施1、减少应力集中如设置圆角、减少截面形状的突变，加减载槽。2、提高表面质量，减少裂纹。3、改选疲劳强度高的材料，并选择恰当的热处理方法。3-9-3 零件的抗断裂强度工作应力0.1mm是宏观裂纹。应力强度因子KI（KII、KIII）平面应变断裂韧度KIC启用了两个新指标KIKICKIKIC裂纹不会失稳扩展裂纹会失稳扩展I、II、III表示裂纹类型表示裂纹类型3-9

19、-4 零件的接触强度接触有外接触内接触两种状况接触有共形面如平面与平面异形面线接触如齿面间点接触如钢球与套圈接触应力的计算是弹性力学研究的问题H=FB1112（）112E1122E2+公式为：以线接触为例：接触应力又称接触应力又称“赫兹应力赫兹应力”接触面外圆柱内圆柱（a） 外接触（b） 内接触两圆柱体接触后的变形和应力分布3-10 摩擦、磨损与润滑摩擦、磨损与润滑 世界上约有1/31/2的能源消耗在摩擦上。 一半以上的零件是因磨损而失效。 摩擦的结果是磨损。 润滑是减少摩擦与磨损的有力措施。 摩擦也有有利的一方面如摩擦轮、皮带、制动器。3-10-1 摩擦分类分类内摩擦外摩擦静摩擦动摩擦滑动摩

20、擦滚动摩擦干摩擦混合摩擦液（流）体摩擦边界摩擦相对应有： 液体润滑、边界润滑、混合润滑液体润滑、边界润滑、混合润滑弹性变形塑性变形边界膜流体（a a） 干摩擦干摩擦（b b）边界摩擦）边界摩擦（c c） 液体摩擦液体摩擦（d d） 混合摩擦混合摩擦无润滑剂或保护膜无润滑剂或保护膜油膜厚油膜厚1.52m以上以上油膜厚油膜厚1 m三者的综合三者的综合3-10-2 磨损不利处-效率和可靠性,使机器报废。有利处-表面粗糙度（磨削、研磨、抛光、跑合等)。一、磨损过程的三个阶段：一、磨损过程的三个阶段：磨合阶段稳定磨损阶段剧烈磨损阶段时间t磨损量qIIIIII 跑合阶段结束后应清洗零件、更换润滑油跑合阶段

21、结束后应清洗零件、更换润滑油二、磨损分类：二、磨损分类：按磨损结果分按磨损结果分按磨损机理分按磨损机理分点蚀磨损胶合磨损擦伤磨损粘（附）着磨损冷焊（压力大时）材料转移。冷焊（压力大时）材料转移。磨粒磨损表面硬质突出物或外来硬粒引起表层脱落，常见。表面硬质突出物或外来硬粒引起表层脱落，常见。疲劳磨损（点蚀） 局部因弹性变形形成小接触区，受交局部因弹性变形形成小接触区，受交 变应力表层或内层有微裂纹变应力表层或内层有微裂纹扩展扩展脱落。脱落。冲蚀磨损运送物（液、气等）中夹带硬物。运送物（液、气等）中夹带硬物。腐蚀磨损与周围介质发生反应（化学或电化学）。与周围介质发生反应（化学或电化学）。分五级：分

22、五级： 轻微磨损轻微磨损 涂抹涂抹 擦伤擦伤 撕脱撕脱 咬死咬死又称胶合，发生又称胶合，发生于高速、重载于高速、重载3-10-3 润滑作用作用 摩擦系数 机械效率 磨损、 寿命 冷却、防尘、吸振等一、润滑剂：一、润滑剂：分为分为润滑油润滑脂固体润滑剂（石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯）气体润滑剂（如空气、氢气、水蒸气）1、润滑油：、润滑油：1）分类分为分为有机油如动、植物油矿物油应用最广，如机油（现称为全损耗系统油）、柴油等化学合成油2）评价指标 粘度最重要指标，越大流动性越差，分为动力粘度运动粘度条件粘度E 油性（润滑性）油中极性分子与金属表面吸附形成油膜的性能。 极压性油中加入含S、Cl、P的有

23、机极性化合物后，生成边界膜的 能力，可抗磨、抗高压。 闪点在标准仪器中蒸发出油汽，遇火能发出闪光时的最低温度。 凝点规定条件下不能再自由流动时的最高温度。 氧化稳定性发生氧化生成硫、氯、磷的酸性化合物、胶状、腐蚀金属。工作温度应低工作温度应低于闪点于闪点3040C解释我国常用我国常用动力粘度运动粘度条件粘度E用表示。1m3的液体，其上、下表面间发生相对速度为1m/s的 相对运动时所需的切向力为1N，称为动力粘度。 单位：1Pas（=1Ns/m2） Pas是国际单位制（是国际单位制（SI）的粘度单位。）的粘度单位。 在绝对单位制（在绝对单位制（C.G.S制）中，单位为：制）中，单位为： 1dyn

24、s/cm2称为称为1P（泊）。（泊）。 常用厘泊（常用厘泊（cP），），1P=100cP）用表示。动力粘度与相同温度下液体的密度之比称为运动粘度。 单位：m2/s （ 的单位为kg/m3）一般润滑油的牌号就是该润滑油在一般润滑油的牌号就是该润滑油在40C（或或100C）时运动粘度（以时运动粘度（以mm2/s为单位）的平均值为单位）的平均值如L-AN46全损耗系统用油（原称10号机械油）在40C时的=41.450.6mm2/s用表示。又称恩式粘度恩式粘度，许多国家用。 在给定温度下，从恩式粘度计流出200ml样品油所需时间与同体 积蒸馏水在20C时流出所需时间之比值，称为条件粘度。 绝对单位制中采用绝对单位制中采用St（斯）为单位。（斯）为单位。 1St=1cm2/s=100cSt（厘斯）（厘斯） 1cSt=1mm2/s单位我国以Et（恩式度）作单位美国以SUS（赛氏通用秒）作单位英国以R（雷式秒）作单位运动粘度与恩式粘度之间可以换算运动粘度与恩式粘度之间可以换算略略2、润滑脂：、润滑脂：在润滑油